Nobel de física: manipulant la llum

El Premi Nobel de física d’aquest any ha estat dedicat a investigacions que han portat a eines que actualment fem servir moltíssim i que tenen a veure amb trobar la manera de fer servir la llum.

Imagineu (o, els més grans, recordeu) que viviu als anys 60. Feia poc s’havia inventat el làser, de manera que experimentar amb la llum començava a ser una cosa amb moltíssimes possibilitats teòriques, però encara molt poques a la pràctica. Les comunicacions es feien gràcies a l’electricitat sobretot tot i que, en teoria, la llum làser també havia de permetre fer-ho. Ja sabeu que els ordinadors funcionen a base de bits, de senyals que expressem en forma de 1 i 0, però que simplement vol dir: 1 = passa el corrent; 0 = no passa corrent. Doncs amb un llum làser hauríem de poder fer el mateix 1 = passa la llum o 0 = no passa la llum.

La teoria és clara, però com fer-ho sense que el senyal es perdi a mida que ens allunyem de la font emissora? Aquest era el problema que es va plantejar en Charles Kuen Kao, un investigador nascut a Shangai, que havia crescut a Hong Kong i que va fer la seva tesi doctoral a Londres.

En aquell temps, ja es podia fer fibra òptica i feia molts anys que es coneixien els principis físics que determinen com enviar senyals de llum a través seu. Però el funcionament era molt dolent. El senyal no anava més enllà dels vint metres. Doncs en Kao es va proposar esbrinar de quina manera podia enviar un senyal de llum a través de fibra òptica i que al menys un 1 % del senyal arribés a una distància d’un quilòmetre. Passar dels vint als mil metres no era poca cosa, però ja ho diuen que el món és dels ambiciosos.

El que va fer va ser estudiar com es fabricaven els cables de vidre, quina mida havien de tenir i sobretot quina puresa requeria el vidre. Finalment se'n va sortir i ara el món de les comunicacions funciona gràcies a milions de quilòmetres de cable de fibra òptica que ens permeten comunicar-nos quasi instantàniament. Naturalment ja s’ha millorat molt el rendiment que en Kao va aconseguir, i ara hem passat d'aquell 1 % a un 95 % de llum que arriba a un quilòmetre.

I un altre fita relacionada amb aprofitar les possibilitats de la llum va ser el CCD, que són les sigles de “Charged Coupled Device” o “Dispositiu d’acoblament de càrrega”. Potser sona estrany, però cada vegada que feu una foto amb la càmera digital esteu fent-ho gràcies a una matriu de CCD que hi ha a l’interior. Això és possible gràcies a l’efecte fotoelèctric que va descriure Albert Einstein fa temps i a William Boyle i George Smith que van inventar el primer CCD l’any 1969 i que aquest any han guanyat junt amb en Kao, el Premi Nobel (Einstein també el va guanyar per l’efecte fotoelèctric l’any 1921).

Imagineu una superfície a la que hi arriba un fotó. Segons el material de que estigui feta pot ser que l’energia del fotó faci que el material emeti un electró. I a més, com més fotons arribin, més electrons en sortiran, de manera que podem convertir un senyal de llum en un elèctric. Això seria un CCD. Ara imagineu que tenim un mosaic de dispositius d’aquests, posats de manera ordenada. Si projectem una imatge sobre el mosaic, uns dels CCD emetran més electricitat ja que els arribarà més llum. Altres quedaran més enfosquits. Amb això haurem convertit una imatge en, bàsicament, informació elèctrica. Si encara volem millorar-ho simplement hem d’augmentar la densitat de CCD i també podem posar filtres que deixin passar la llum d’un color o altre. Així podrem també saber quin color era la llum.

Les càmeres, els telescopis, els aparells de fibroscòpia dels metges, milers d’aplicacions actualment funcionen gràcies a la manera com manipulem la llum. I tot gràcies a tècniques que van començar a caminar fa més de quaranta anys!